简述无线通信环境.docx

目录简述无线通信环境21.无线通信的频谱环境21.1频谱的分配方式21.2现有系统的频谱分配32.无线通信的传播环境43.无线通信中电波传播特性54.无线传播信道的分类54.1 带宽受限信道和功率受限信道54.2 色散与非色散信道、恒参与变参信道64.3 点对点信道和多址信道75 无线通信的发展趋势8简述无线通信环境1864年麦克斯韦（Maxwell）建立了光的电磁波理论并预言了电磁波的存在，1887年赫兹（Hertz）首次通过实验证明了无线电磁波的存在。这为现代的无线电通信提供了理论根据。无线电波可以在大气媒介中传播这一理论的创立大大推动了通信技术的发展。1897年，马可尼（Guglielmo Marconi）第一次向世人展示了无线电通信的威力，实现了在英格兰海峡行驶的船只之间保持了持续的通信。从此以后，移动物体之间的通信就得到了举世瞩目的发展，全世界的人们不断地经历着新的无线通信方法的产生，并且享受着多种多样的无线通信服务。1.无线通信的频谱环境无线电波时指频率低于3000GHz的电磁波，无线电电波频谱一般按波长来划分，可以分为极长波、超长波、中波、短波、超短波、微波、毫米波和亚毫米波等。其中微波是指频率为300MHz至300GHz的电磁波。下表是无线电频谱的划分。1.1频谱的分配方式频谱资源的分配一般都是由政府机构负责分配和控制无线频谱的使用。美国，GCC（联邦通信委员会）负责商用频谱，OSM（频谱管理局）负责军用频谱；在欧洲，ETSI（欧洲电信标准化委员会）负责商用频谱；在中国，由无线电管理委员会负责；而在国际上，则是由ITU（国际电信联盟）负责国际的频谱分配。1.2现有系统的频谱分配绝大多数无线通信系统工作在30MHz40GHz，下图是美国的授权频谱分配表。下表示美国的开放频谱现在各国之间对于开放频谱的分配相互协调，这样有利于技术规范在世界范围内兼容；ISM频段上，授权用户的发送频率较高，开发用户的功率都有严格限制。随着无线电通信技术的飞速发展，频谱资源变得越来越紧张。尤其是随着天线局域网（WLAN）技术的发展，越来越多的人通过这些技术以无线的方式接入互联网。这些网络技术大多使用非授权的频段工作。由于WLAN、WRAN无线通信业务的迅猛发展，这些网络所工作的非授权频段已经渐趋饱和。而另外一些通信业务（如电视广播业务等）需要通信网络提供一定的保护，使他们免受其他通信业务的干扰。为了提供良好的保护，频率管理部门专门分配了特定的授权频段以供特定通信业务使用。与授权频段相比，非授权频段的频谱资源要少得多（大部分的频谱资源均被用来做授权频段使用）。而相当数量的授权频段资源的利用率却非常低。于是就出现了这样的事实：某些部分的频谱资源相对较少但其上承的业务量很大，而另外一些已授权的频谱资源利用率却很低。如何利用有限的无线电频谱资源，不断增加移动通信系统的通信容量，容纳更多的用户呢？现有的做法有以下几种：1. 开辟和启动新频段2. 压缩信号占用的频带，提高频谱利用率A. 低速率的信源编码技术：话音编码B. 高频谱利用率的调制技术：b/HzC. 高通道容量的多址方式：FDMA-TDMA-CDMA但研究表明：目前适宜无线通信的频谱资源一方面十分稀缺，一方面又浪费严重。其原因在于：静态的频谱规划体制与动态的频谱利用方式之间不匹配，造成无线频谱规划紧张，而使用率低。为此，突破频谱共享无线通信系统的关键技术，开发频谱资源共享的无线通信系统，从系统级的角度提高整体频谱利用效率成为解决上述矛盾的重要途径，是今后一个时期无线通信的战略性发展方向之一。2.无线通信的传播环境无线电波传播的机理是多种多样的，发射机天线发出的无线电波，通过不同的路径到达接收机。由于电波通过各个途径的距离不同，因而到达的时间也不同，相位也不同。总体可以归结为反射、绕射和散射三种。当频率f300MHZ时，典型的传播通路如下图所示。沿路径1从发射天线直接到达接收天线的电波称之为直射波；沿路径2的电波沿地球表面传播的电波，称之为地表面波，由于地表面波的损耗随频率升高而急剧增大，传播距离迅速减小，因此，在VHF和UHF频段的地表面波的传播可以忽略不计。在蜂窝移动通信系统中，电波遇到各种障碍物时会产生反射和散射现象，它对直射波会引起干涉，即产生多径衰落现象。影响电波传播的三种基本传播机制是反射波、绕射波和散射波。1) 反射波当电波传播遇到波长大得多的物体时发生反射，反射发生于地球表面、建筑物和墙壁表面等如上图所示，当无线电波入射到两个具有不同介电常数的介质的交界处时，一部分光波被反射，另一部则通过。如果平面波入射到理想电介质的表面，则一部分能力进入第二个介质，一部分能量反射回第一介质，没有能量损耗。如果第二介质是理想导体，则所有的入射能量都被反射回第一个介质，同样也没有能量损失。2) 绕射波当接收机和发射机之间的无线路径被尖利的边缘阻挡时发生绕射。由阻挡表面产生的二次波散布于空间，甚至存在于阻挡体的背面。绕射使得无线电信号绕地球曲线表面传播，能够传播到阻挡物后面。3) 散射波当电波穿行的介质中存在小于波长的物体并且单位体积内阻挡体的个数非常巨大时，发生散射波。散射波产生于粗糙表面、小物体或其他不规则物体。在实际移动通信环境中，接收信号比单独绕射和反射的信号要强。这是因为当电波遇到粗糙表面时，反射能量由于散布于所有方向，这就给接收机提供额外的能量。3.无线通信中电波传播特性无线电波的传播特性与电波传播环境密切相关，这些环境包括地形地貌、人工建筑、气象条件、电磁干扰等情况，以及移动台的移动速度与使用的频段。在蜂窝移动通信系统中，接收机的接收功率随距离而减小的现象被认为是路径损耗。而多数移动通信系统工作在城区，发射机和接收机之间无直接视距路径，而且高层建筑产生了强烈的绕射损耗。此外，由于不同物体的多路径反射，经过不同长度路径的电波相互作用引起多径损耗，同时随着发射机和接收机之间距离的不断增加而引起电波强度的衰落。如果接受天线在大于几十米或几百米距离上移动的话，使接收信号中的尺度变化被称为阴影效应。由于移动通信环境具有复杂性与多样性，电波在传播时将产生三种不同类型的效应：（1） 阴影效应：它是由地形结构引起的传播损耗，表现为慢衰落，或称为长期衰落。（2） 多径效应：它是由于移动体周围的局部散射体引起的多径传播，使到达接收机输入端的信号相互叠加，其合成的信号幅度表现为快速起伏变化，即快衰落，或称为短期衰落。（3） 多普勒效应：它是由于移动体的运动速度和方向会使接收的信号产生多普勒频移，在多径条件下，便形成多普勒频谱扩展，对信号形成随机跳调频的多普勒效应。4.无线传播信道的分类无线通信主要包括微波通信和卫星通信。微波是一种无线电波，它传送的距离一般只有几十千米。但微波的频带很宽，通信容量很大。微波通信每隔几十千米要建一个微波中继站。卫星通信是利用通信卫星作为中继站在地面上两个或多个地球站之间或移动体之间建立微波通信联系。无线传播的方式有很多，这里主要讲解一下下面几种。4.1 带宽受限信道和功率受限信道由加性高斯白噪声信道上的山农定理：令：SN=Eb/N0C/W，山农定理就可以写成：1.带宽受限信道：表明功率可以换取带宽。2.功率受限信道： 即为山农极限，带宽不能无限制地换取功率。下面是山农信道容量曲线：4.2 色散与非色散信道、恒参与变参信道假设信道响应C（；t），其中代表响应时间，t代表信号时刻。输入信号为时域冲积函数，检验是色散信道还是非色散信道。其中Tm为多径扩散，其倒数fc为相干带宽。输入信号为频谱冲击函数，检验是恒参信道还是变参信道。其中Bd为多普勒展宽，其倒数tc为相干时间。1. 信号带宽Bfc，色散信道。2. 信号带宽Btc，变参信道4. 码元周期Ttc，恒参信道4.3 点对点信道和多址信道点对点信道和有线信道类似，是由两个无线用户之间的点对点通信，体现不出无线的特点。多址信道是无线传输与有线传输的最大区别之处，它体现了无线传输的突出优点。下面是两种信道的示意图：多址信道的信号发送/接收表达式表示：设：有N个用户地址，第K个地址发送的信号为：第K个地址接收的信号为：5 无线通信的发展趋势随着无线电通信需求的不断增长，对无线通信技术支持的数据传输速率的要求越来越高。根据香农信息理论，这些通信系统对无线频谱资源的需求也相应增长，从而导致适用于无线通信的频谱资源变得日益紧张，成为制约无线通信发展的新瓶颈。另外，已经分配给现有很多无线系统的频谱资源却在时间和空间上存在不同程度的闲置。因此，人们提出采用认知无线电（